CN103975484A - 具有电介质插入件的定向狭缝天线 - Google Patents

Abstract

定向狭缝天线包括耦接到反射器的辐射部件。在辐射部件和反射器之间的反射器间隔空隙或空腔具有比与针对关注频率的期望增益相关联的自由空间反射器间隔空腔的预定高度小的高度。电介质材料插入件设置在反射器间隔空腔内并且填充或部分地填充该空腔。包括电介质插入件的减小高度的空腔提供在辐射部件和反射器之间的与自由空间反射器间隔空腔的预定高度相对应的增加的电分离。

Description

具有电介质插入件的定向狭缝天线

技术领域

本发明总体上涉及天线，并且更具体地，涉及具有在辐射部件和反射器之间的空隙的定向天线。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS)接收器使用天线来接收GNSS信号，诸如由GNSS卫星发送的L1、L2和L5信号。在由Kunysz共同拥有的、2002年9月3日授权的名称为APERTURE COUPLED SLOT ARRAY ANTENNA的美国专利No.6,445,354中描述了这种天线的一个示例，该申请的内容通过引用在此并入。通过包括相对于天线的辐射部件策略性地设置的反射器，可以将在沿其轴线在两个方向上辐射的天线变为定向的。定向狭缝天线可由印刷电路板(PCB)制成，具有设置在其下方且与天线间隔以充当反射器以提供天线方向性并还减小后波瓣幅射的第二PCB。

包括定向轮盘(PW)天线的定向狭缝阵列天线设计有在天线的辐射部件和反射器之间的反射器间隔。反射器间隔高度涉及信号频率或者关注频率和期望增益。例如，为了满足在L1和L2的增益要求，反射器间隔的高度典型的是15mm。为了满足在较低频率L5的增益要求，反射器间隔高度需要较大，典型的在17mm到19mm之间。

现有的定向PW天线的缺点是随着增大反射器间隔的高度以满足在诸如L5波段这样的较低频率处的期望增益要求时，天线的整体大小必然增加。扩大天线以接收L5信号可能需要改变利用该天线的装置的构造。进一步地，消费者的需求是通常针对较小的电子装置。因此，需要能够接收诸如L5信号的较低频率信号的天线，且具有类似于或等于接收诸如L1和L2这样的较高频率信号的天线的尺寸的尺寸。此外，需要能够接收诸如L1和L2信号这样的较高频率信号的较小的天线。

发明内容

一种定向狭缝天线，其包括：耦接到反射器的辐射部件，在辐射部件和反射器之间的反射器间隔空隙或空腔，以及在反射器间隔空腔内的电介质插入件。反射器间隔空腔的高度小于与针对一个或多个关注频率的期望增益相关联的自由空间反射器间隔空腔的预定高度。设置在反射器间隔空腔内的电介质材料插入件完全地或部分地垂直地填充反射器间隔空腔，并且该电介质材料插入件或该电介质材料插入件和反射器间隔空腔的剩余未填充部分的组合提供了在辐射部件和反射器之间的与自由空间反射器间隔空腔的预定高度相对应的电分离。具有减小高度的反射器间隔空腔的该定向狭缝天线因此结构紧凑，同时在关注频率例如全球导航卫星系统(GNSS)L1、L2和L5频率上保持期望增益性能。

附图说明

本发明的上述和进一步的优点通过参照下面结合附图的详细描述会更好的理解，其中相同附图标记指代同样的或功能类似的部件，其中：

图1是相关技术狭缝天线的顶部的图，示出设置在传导平面中的狭缝开口的阵列；

图2是图1中天线的侧视图，示出了反射器的设置；

图3是根据本发明构造的天线的侧视图；以及

图4是图3的反射器以及关联的电介质插入件的更详细的图。

具体实施方式

结合图1-图2讨论已知的定向狭缝天线10，结合图3-图4讨论改进的定向狭缝天线100。参见图1和图2，天线10具有辐射部件20，其包括传导层12，该传导层12包括多个类似弯曲的狭缝开口14、16、18和20。每个狭缝开口14、16、18和20穿过传导层12延伸到具有厚度t的非传导或电介质材料的基板24的正表面22。发送线26设置在基板24的相反面32上。因此，天线10因此可由两层印刷电路板(PCB)来制造，其中发送线26和狭缝开口14、16、18和20可通过适当地刻蚀各自覆盖层的部分来形成。应当理解的是，虽然为了说明示出了四个狭缝开口，但本发明并不限于这个数目，并且可以包括m个不同形状和长度的狭缝开口，这里m≥2。

本领域技术人员可以意识到，辐射部件20辐射的电磁能量在沿天线轴线11的两个方向上发射。为了提供方向性，并且因此增加在正向方向上发射的能量的比例，并且还减少后波瓣辐射，与天线10的背表面32相对平行的关系安置反射器42，且由反射器间隔空隙或空腔50分离。例示地，在背表面32和反射器之间的间隙具有垂直自由空间反射器间隔高度g，需要该高度以满足在关注频率处的期望增益要求。设计成接收例如L1和L2信号的天线具有大约15mm的垂直反射器间隔高度。RF泡沫吸收件28垂直地跨越空腔50的外直径，以减少交叉极化信号从定向天线的泄漏，该RF泡沫吸收件28可以是额外的PCB层。

如已知的，狭缝开口可按所示的形状来弯曲，或可以是直线段或直线和弯曲段的组合，如下边更详细描述。弯曲形状可以是锥形截面(即，圆形、椭圆形、抛物线形或双曲线弧)、阿基米德螺线、对数螺线或指数螺线。本领域技术人员将认识到，其它狭缝天线构造也可以被利用，诸如在2007年7月31日授权的Kunysz等人的美国专利No.7,250,916中描述的分形环路，该其内容被合并引用于此。直线狭缝开口等效于偶极子，并且因此，单个狭缝开口产生线性极化信号。然而，本领域技术人员可以意识到，直线狭缝开口的阵列可用于发送或接收圆极化信号。也可以通过使用弯曲狭缝开口的阵列来产生圆极化，其中各狭缝开口在期望圆极化方向上弯曲(即，顺时针弯曲用来接收和发送左旋圆极化信号)。通过使用具有直线狭缝开口的等效导波长度的弯曲狭缝开口，可减小天线的物理大小。

狭缝开口14、16、18和20具有靠近天线轴线11的各自的轴线端部，以及靠近外围边缘30的各自的外围端部。各狭缝开口的各自的轴线端部位于由基板24的相反面上的发送线26限定的圆的内侧。因此，当使用天线10来发送信号时，电磁能量被馈送到发送线26，并被电磁耦接到狭缝开口14、16、18和20。该耦接发生在设置于正表面上的狭缝开口14、16、18和20所位于的与设置于平板天线10的背表面32上的发送线26最接近并且直接相对的四个相应区域处。

例如，狭缝开口14的部分位于离开耦接区域34中的发送线26等效于基板厚度t的距离。如在本领域中已知的，经过发送线26的电磁能量将在耦接区域34中隔着狭缝开口14产生辐射场。这些电磁能量将类似地耦接进分别位于耦接区域36、38和39的狭缝开口16、18和20。耦接程度与基板24的厚度t、发送线26的宽度w、狭缝开口14的宽度v以及基板24的介电属性有关。相反的，当使用天线10接收信号时，在狭缝开口14、16、18和20处接收到的电磁能量在相应的耦接区域34、36、38、39处被耦接进发送线26。虽然图中示出了单个螺旋发送线，但如上面提及的专利No.7,250,916所讨论的，该发送线可具有跨过狭缝多次的多个螺旋。

如同样本领域中已知的，可根据期望通过增加或减小分离(即在反射器42和辐射部件20之间的自由空间反射器间隔空腔50的高度)来改变从天线10发射的辐射模式，以及辐射模式衰减特性和其它特性，诸如阻抗。例如，为了满足在L1和L2的增益要求，自由空间反射器间隔高度g例示地是15mm。也为了满足在较低频率L5的相同增益要求，自由空间反射器间隔高度需要较大，典型的在17mm到19mm之间。可以理解的是，用于满足针对较低频率的增益要求(和其它性能要求)而要求的增大反射器间隔高度，增加了天线的整体大小。

现在参照图3，其中描绘了改进的天线100。该天线包括上面参照图1讨论的辐射部件20，并且因此包括带狭缝的传导层12、电介质或非传导基板24、以及发送层26。反射器42被设置成与辐射部件20的背表面32成相对平行关系，且高度为g′＜g的反射器间隔空隙或空腔500将反射器和辐射部件分离。示例地由陶瓷制成的介电材料插入件44设置在反射器42上，且部分地或完全地填充反射器间隔空腔500的垂直尺寸。

电磁波在高介电常数电介质材料中的传播比在自由空间内慢。因此，将插入件44包括在反射器间隔空腔500中在不要求增加自由空间反射器间隔空腔的物理分离的情况下提供了在辐射部件20和反射器42之间的增加的电分离。相反，在不损害天线的性能的情况下，也就是，不改变通过具有自由空间反射器间隔高度g的反射器间隔得到的天线优点，具有所包括的插入件44的反射器间隔的总高度可以减少到g′＜g。

在天线100中利用的RF泡沫吸收件280具有从天线的外边缘向内测量的水平厚度，例如，7-12mm，从而仅仅横跨反射器间隔空腔500的水平方向上的一部分。明显地，RF泡沫吸收件280具有从天线10的RF泡沫吸收件28的垂直尺寸根据反射器间隔空腔500的高度的减小而减小的尺寸。电介质材料插入件44设置在泡沫吸收件的内部，电介质材料插入件44的外径接触吸收件的内径。应当注意的是，当整个反射器间隔空腔500不是被电介质材料插入件垂直地填充时，留下了空气空隙，具体地，在发送线26的下方，以维持适当的阻抗值。

作为示例，图2和图3的天线10和天线100分别针对L1、L2和L5信号设计。该天线10具有自由空间反射器间隔空腔50，其具有在关注频率处满足期望增益要求的高度g＝17-19mm。天线100包括位于反射器间隔空腔500内的电介质材料插入件44，在本示例中其为高度为3.5mm的陶瓷盘，使得反射器间隔空腔被插入件44部分地填充。在本示例中，反射器间隔空腔500的总高度减小到g′≈8-10mm，其比与L1和L2信号相关联的自由空间反射器间隔空腔高度甚至更小。

电介质材料加上反射器间隔空腔的任何剩余未填充垂直部分的垂直厚度等于高度g′，其小于自由空间反射器间隔垂直空腔高度g的预定高度。然而，该组合维持天线在GNSS频率上的整体性能，同时天线100也能够以期望增益接收L5信号。按照需要，可以设定插入件44的尺寸，以进一步将反射器间隔空腔500减小到单独接收L1和L2的信号的要求以下，同时天线还按照期望在L5频率工作。

图4是天线100的立体图。在示例性实施方式中，耦接到基板24(未示出)的吸收件280的垂直高度比电介质材料插入件44的垂直高度高。电介质材料插入件44可以例示地成型为基本上覆盖整个反射器，然而，本领域技术人员可以理解的是，依赖于有效辐射区域的位置，可以使用不同的尺寸、形状和位置设置，从而将电介质材料设置在辐射部件的有效辐射部分(即，狭缝)的下方。例如，如图4中所示，电介质材料插入件44被成型为盘或环，其中材料的位置设置对应于狭缝的位置，并且中心孔45的位置设置对应于发送线的位置，以减小天线的整体重量。因此，电介质材料(或天线100的其它部件)的任何特定形状或相对位置设置应当仅被视为示例性的，并不因此限制本发明的范围。

进一步，在设计为仅针对L1和L2信号使用的天线100中可以利用插入件44，以将反射器间隔空腔500的高度减小到自由空间反射器间隔空腔50的15mm高度以下。

虽然如讨论的电介质材料插入件44的垂直厚度是3.5mm，但是本领域技术人员将认识到，插入件的厚度以及其它尺寸可以依赖于期望的特定天线优点而改变。因此，所描述的任何具体的尺寸应当视为仅是示例性的，并不因此限制本发明的范围。另外，本领域技术人员应当认识到，可以实施另选设计选择来改变天线的尺寸，同时保持了所期望的天线特性。例如，电介质材料插入件的不同厚度和/或不同介电常数可以被利用以将反射器间隔空腔500的高度减小较大量或较小量，对于L1、L2和L5，甚至减小多达50％或更多。此外，尽管本公开是依照L1、L2和L5来讨论的，然而本领域技术人员将认识到，本发明可以用于其它信号/频率，诸如伽利略E1、E2和E5以及格洛纳斯G1和G2。因此，具体频率的任何描述应当视为仅仅是示例性的，而并且不因此限制本发明的范围。进一步，RF泡沫吸收件280可以被省略。

如所讨论的，电介质材料插入件44可以完全填充辐射部件20和反射器42之间的间隙。这允许在不损害天线性能的情况下反射器间隔空腔的整体高度甚至更进一步减小。例如，对于L1、L2和L5，具有被完全填充分离的反射器间隔空腔的整体高度可以减小到5-7mm。如本领域技术人员可以理解的，当用电介质材料插入件完全填充辐射部件20和反射器42之间的间隙时，需要做出一定的修改，因为阻抗会改变，并且天线的增益和带宽可能会被负面影响。例如，如本领域技术人员理解的，可以改变天线的螺旋发送线的宽度以将阻抗的变化考虑在内。另选地，如本领域技术人员理解的，响应于与填充减小了高度的反射器间隔空腔的插入件相关联的阻抗、增益和带宽的改变，可以改变螺旋的半径，可以添加额外的螺旋和/或可以改变狭缝的尺寸。

如上述讨论的，本领域技术人员也将理解的是，依赖于有效辐射区域的位置可以使用电介质插入件的不同大小、形状和位置设置，从而电介质材料处于辐射部件的有效辐射部分(即狭缝)和反射器之间。当电介质插入件完全填充辐射部件20的有效部分和反射器42之间的间隙时，可以预见的是在非辐射部件的下方的区域可以但不必须被填充。因此，填充分离的插入件可以是环形或盘形的，以减小定向天线的整体重量。

虽然这里已经示出和描述的说明性实施方式是用于卫星通信和GNSS频率，应当明白的是，各种其它的改变和修改落在本发明的精神和范围内。也就是，在更广泛的意义上本发明的实施方式并不限于此，并且可以，事实上，使用于无线电广播、广播电视、双向无线电、通信接收机、雷达、蜂窝电话、以及其它装置，诸如使用任何合适的频率的车库开门器、无线麦克风、支持蓝牙的装置、无线计算机网络等。另外，尽管实施方式是就轮盘天线设计而言示出和描述的，本领域技术人员将理解的是，非轮盘设计也同样可以使用。本领域技术人员同样可认识到，电介质材料插入件44可由非陶瓷材料和/或其它介电常数级别的材料制造。

前面的描述是本发明的具体实施方式。然而，显而易见的是，描述实施方式的其它变型、等效替换和修改可以被实施到描述的实施方式，包括单独采用的实施方式或以任意组合方式采用的实施方式，达到它们的优点中的一些或全部。举例来说，尽管根据轮盘天线来描述了实施方式，但是本领域技术人员将理解的是，其它天线设计也可以使用。因此，这个描述仅仅是通过示例的，并不因此限制本发明的范围。因此，覆盖所有这种组合、变型和修改的所附权利要求将落入本发明的真实精神和范围内。

Claims (22)

1.一种定向狭缝天线，该定向狭缝天线包括：

辐射部件；

耦接到该辐射部件的反射器；

在所述辐射部件和所述反射器之间的反射器间隔空腔，该反射器间隔空腔具有比与针对关注频率的期望增益相关联的自由空间反射器间隔空腔的预定高度小的高度；

设置在所述反射器间隔空腔内的电介质材料插入件；并且

所述反射器间隔空腔包括电介质材料插入件，该电介质材料插入件提供在所述辐射部件和所述反射器之间的与所述自由空间反射器间隔空腔的所述预定高度相对应的电分离。

2.如权利要求1所述的天线，其中，所述电介质材料插入件包括高介电常数电介质材料。

3.如权利要求1所述的天线，其中，所述电介质材料插入件在所述反射器的顶部。

4.如权利要求1所述的天线，其中，所述电介质材料插入件在所述辐射部件的有效辐射部分的下方延伸。

5.如权利要求1所述的天线，其中，所述关注频率是包括L1、L2和L5中的至少一个的GNSS频率。

6.如权利要求1所述的天线，其中，所述关注频率是包括E1、E2和L5中的至少一个的GNSS频率。

7.如权利要求1所述的天线，其中，所述关注频率是包括格洛纳斯G1和G2中的至少一个的GNSS频率。

8.如权利要求1所述的天线，其中，所述反射器间隔空腔的所述高度比所述自由空间反射器间隔空腔的所述预定高度小至少50％。

9.如权利要求4所述的天线，其中，所述电介质材料插入件是环形的，其具有和发送线的位置相对应的中心孔。

10.如权利要求1所述的天线，其中，所述电介质材料垂直地部分填充所述反射器间隔空腔。

11.如权利要求1所述的天线，其中，所述电介质材料垂直地完全填充所述辐射部件和所述反射器之间的间隙。

12.一种定向轮盘天线，该定向轮盘天线包括：

包括螺旋发送线的辐射部件；

耦接到所述辐射部件的反射器；

在所述辐射部件和所述反射器之间的反射器间隔空腔，所述反射器间隔空腔具有比与针对关注频率的期望增益相关联的自由空间反射器间隔空腔的预定高度小的高度；

设置在所述反射器间隔空腔内的电介质材料插入件；

所述反射器间隔空腔包括所述电介质材料，该电介质材料提供在所述辐射部件和所述反射器之间的与所述自由空间反射器间隔空腔的所述预定高度相对应的电分离。

13.如权利要求12所述的天线，其中，所述电介质材料插入件包括高介电常数电介质材料。

14.如权利要求12所述的天线，其中，所述电介质材料插入件在反射器的顶部。

15.如权利要求12所述的天线，其中，所述电介质材料插入件在所述辐射部件的有效辐射部分的下方延伸。

16.如权利要求13所述的天线，其中，所述关注频率包括L1、L2和L5中的至少一个。

17.如权利要求13所述的天线，其中，所述关注频率是包括E1、E2和L5中的至少一个的GNSS频率。

18.如权利要求13所述的天线，其中，所述关注频率是包括格洛纳斯G1和G2中的至少一个的GNSS频率。

19.如权利要求12所述的天线，其中，所述反射器间隔空腔的高度比所述自由空间反射器间隔空腔的所述预定高度小至少50％。

20.如权利要求15所述的天线，其中，所述电介质材料插入件是环形的，其具有和所述螺旋发送线的位置相对应的中心孔。

21.如权利要求12所述的天线，其中，所述电介质材料垂直地部分填充所述反射器间隔空腔。

22.如权利要求12所述的天线，其中，所述电介质材料垂直地完全填充所述辐射部件和所述反射器之间的间隙。